Вычислительная термодинамика - Computational thermodynamics
Вычислительная термодинамика - это использование компьютеров для моделирования термодинамических задач, специфичных для материаловедения , особенно используемых при построении фазовых диаграмм.
Для выполнения этих операций существует несколько открытых и коммерческих программ. Суть метода - минимизация свободной энергии Гиббса системы; Успех этого метода обусловлена не только правильно измерения термодинамических свойств, таких как те , в списке термодинамических свойств , но и за счет экстраполяции свойств метастабильных аллотропов этих химических элементов .
История
Вычислительное моделирование фазовых диаграмм на основе металлов, восходящее к началу прошлого века, главным образом Йоханнесом ван Лааром, и моделирование регулярных решений , в последние годы эволюционировало в CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams). Это было впервые применено американским металлургом Ларри Кауфманом с 1970-х годов.
Текущее состояние
Вычислительная термодинамика может рассматриваться как часть информатики материалов и является краеугольным камнем концепций, лежащих в основе проекта генома материалов . В то время как кристаллографические базы данных используются в основном в качестве справочного источника, термодинамические базы данных представляют собой один из самых ранних примеров информатики, поскольку эти базы данных были интегрированы в термохимические вычисления для отображения фазовой стабильности в двойных и тройных сплавах . Многие концепции и программное обеспечение, используемые в вычислительной термодинамике, принадлежат SGTE Group, консорциуму, занимающемуся разработкой термодинамических баз данных; База данных открытых элементов находится в свободном доступе на основе статьи Динсдейла. Эта так называемая «унарная» система оказывается общей основой для разработки двоичных и множественных систем и используется как коммерческим, так и открытым программным обеспечением в этой области.
Однако, как указывалось в недавних документах и собраниях CALPHAD, такую базу данных Dinsdale / SGTE, вероятно, со временем придется корректировать, несмотря на полезность сохранения общей базы. В этом случае большинство опубликованных оценок, вероятно, придется пересмотреть, как и при восстановлении дома из-за сильно разрушенного фундамента. Эта концепция также была изображена как «перевернутая пирамида». Простое расширение существующего подхода (ограниченного температурами выше комнатной) - сложная задача. PyCalphad, библиотека Python , была разработана для упрощения простых расчетов вычислительной термодинамики с использованием открытого исходного кода . В сложных системах вычислительные методы, такие как CALPHAD, используются для моделирования термодинамических свойств каждой фазы и моделирования поведения многокомпонентных фаз. Применение CALPHAD для высоких давлений в некоторых важных приложениях, которые не ограничиваются одной стороной материаловедения, например, система Fe-C , подтверждает экспериментальные результаты с использованием вычислительных термодинамических расчетов фазовых соотношений в системе Fe-C при высоких давлениях. Другие ученые даже рассматривали вязкость и другие физические параметры, которые выходят за рамки термодинамики.
Будущие разработки
По-прежнему существует разрыв между методами ab initio и базами данных оперативной вычислительной термодинамики. В прошлом упрощенный подход, представленный ранними работами Ларри Кауфмана, основанный на модели Мидемы , использовался для проверки правильности даже простейших двойных систем. Однако связь двух сообществ с физикой твердого тела и материаловедением остается проблемой, как это было уже много лет. Многообещающие результаты неэмпирических пакетов молекулярного моделирования квантовой механики, таких как VASP , легко интегрируются в термодинамические базы данных с помощью таких подходов, как Zentool. Относительно простой способ сбора данных об интерметаллических соединениях теперь возможен с помощью Open Quantum Materials Database.
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- Гей, Анри; Лупис, ЧП (1970). «Компьютерные расчеты многокомпонентных фазовых диаграмм». Scripta Metallurgica . 4 (9): 685–91. DOI : 10.1016 / 0036-9748 (70) 90207-3 .
- Официальный сайт CALPHAD
- Круто, Томас; Бартол, Александр; Касенга, Мэтью; Моди, Кунал; Гарсия, Р. Эдвин (2010). «Гиббс: фазовые равновесия и символическое вычисление термодинамических свойств». Calphad . 34 (4): 393–404. DOI : 10.1016 / j.calphad.2010.07.005 .
- Библиотеки на основе Python для расчета фазовых диаграмм и термодинамических свойств
- База данных вычислительных фазовых диаграмм (CPDDB), бинарные базы данных, бесплатный доступ с регистрацией
- Открыть Calphad
- Термокальк для студентов
- Пандат (бесплатно до трех компонентов)
- Matcalc (бесплатно до трех компонентов, доступны открытые базы данных)
- FactSage Education 7.2
- Термодинамическое моделирование многокомпонентных фазовых равновесий.
- NIST
- Термодинамическое моделирование с использованием метода Калфада в ETH Zurich
- Программа MELTS для термодинамического моделирования фазовых равновесий в магматических системах
- SGTE Scientific Group Thermodata Europe
- Ларри Кауфман в Hmolpedia
- Миодовник, Питер (2012). «Работа с Ларри Кауфманом: некоторые мысли по поводу его 80-летия». Calphad . 36 : iii – iv. DOI : 10.1016 / j.calphad.2011.08.008 .
- Кауфман, Ларри; Агрен, Джон (2014). «КАЛЬФАД, первое и второе поколение - Рождение материального генома». Scripta Materialia . 70 : 3–6. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2012.12.003 .
- Кирклин, Скотт; Saal, James E .; Мередиг, Брайс; Томпсон, Алекс; Доак, Джефф У .; Айкол, Муратахан; Рюль, Стефан; Вулвертон, Крис (11 декабря 2015 г.). «Открытая база данных квантовых материалов (OQMD): оценка точности энергий образования DFT» . NPJ Вычислительные материалы . 1 (1): 15010. Bibcode : 2015npjCM ... 115010K . DOI : 10.1038 / npjcompumats.2015.10 .
- [Открытая база данных квантовых материалов http://oqmd.org ]